高性能镍基柔性储能器件的研究

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1、高性能镍基柔性储能器件的研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：材料学院学科：材料科学与工程研究生：徐杨指导教师:杨诚副研究员二○一七年五月ResearchonNickel-BasedFlexibleEnergyStorageDeviceswithHighPerformanceThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementfortheprofessionaldegreeofMasterofSciencebyXuYang(MaterialScienceandEn

2、gineering)ThesisSupervisor:AssociateProfessorYangChengMay,2017摘要摘要如今便携式电子器件的发展日益兴盛，超薄化、超轻化、柔性化逐渐成为下一代电子产品的重要衡量指标。其中，如何实现柔性高性能储能器件成为了上述问题的重大挑战。传统储能器件的电极以浆料涂覆作为主要制备手段，受限于工艺方法与粘结剂的使用，很难实现器件柔性的要求。使用集流体负载活性物质具有诸多优势如无粘结剂增强了电极电子传输；集流体的设计丰富了电极设计的方法论。柔性集流体的上述优点使得储能器件的高性能与柔性化的发展成为可能，同时引起了广泛的关

3、注。在集流体中，金属基(镍，银，铜)因为自身的亲水特性，高效的电子传输，逐渐成为本领域的研究重点。其中，镍基集流体因为自身的电化学稳定性，成本低廉以及地壳存量丰富，被广泛的研究并应用在各个类型的储能器件中。因此本论文围绕镍基集流体的制备对储能器件的柔性化、超薄化展开研究。电化学沉积方法利用电场作用，在商用镍导电布上沉积镍尖锥制备出了柔性的导电布集流体结构。通过在柔性的导电布上电沉积活性物质二氧化锰与聚吡咯，制备了一款基于商用导电布的柔性超级电容器。实验结果表明，利用电沉积镍尖锥制备得到的超级电容器，可以满足器件的柔性化需求。同时，在三明治全电容的封装中，此款集

4、流体可以良好的进行充放电工作，为后续的柔性储能器件研究工作提供了良好的借鉴意义。静电纺丝、磁控溅射与电化学沉积方法是工业上常用的生产手段。通过上述方法制备出了一款全新的镍纳米管薄膜集流体材料。在镍纳米管薄膜材料上电沉积二氧化锰，同时在商用导电膜上电沉积锌，制备了一款柔性的高性能锌锰水系二次电池。实验表明：镍纳米管薄膜集流体具有独特的结构优势与高效的电子传输，大幅度提高了二氧化锰阴极的比容量与器件的能量密度；因镍纳米管的空心圆柱结构优势，使得器件的倍率性能得到了大幅度的改善；同时，柔性的镍纳米管薄膜赋予了传统锌锰电池所不具备的柔性特性。基于镍纳米管薄膜材料的锌锰

5、电池采用三明治式封装。新型的柔性锌锰电池可以在弯折180°的条件下依旧保持稳定的工作状态。其中，利用购买得到的导电膜负载金属锌制备柔性阳极，取代半电池测试中的金属锌片。通过三明治封装方式得到的柔性锌锰可充电电池展示出了良好的柔性特征。这再一次验证了镍纳米管薄膜材料在柔性储能器件中的广阔应用前景。关键词：柔性；超级电容器：锌锰电池；镍纳米管薄膜IAbstractAbstractWithbloomofportableelectronicproducts,ultra-thin,ultra-lightaswellasflexibilitygraduallybecome

6、importantindicatorsofthenextgenerationofelectronicproducts.Amongthem,howtosolvetheproblemofhighperformanceenergystoragedevicesturnsoutasamajorchallengetotheaboveproblems.Theelectrodeoftraditionalenergystoragedevicesismainlypreparedbyslurrycoating,whichisdifficulttorealizetheflexibil

7、ityofthedeviceduetoitsintrinsicstructure.Currentcollectorsholdingactivematerialcouldenhancetheelectrontransferoftheelectrodecausedofbinder-free.Meanwhiletheelectrodebuiltonflexiblecurrentcollectorscouldachievetheflexibleelectrode.Theseadvantagesmakeitpossibletorealizethehighperforma

8、nceandflexibilityof